8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 BOMBA DE CALOR PARA DESUMIDIFICAÇÃO E AQUECIMENTO DO AR DE SECAGEM Luiz, M. R. *,1, Amorim, J. A. 1, Silva, M. G. 2, Cavalcanti, M. A. W. 3, Gurgel, J. M. 3 1, * Universidade Federal da Paíba, Pós-Graduação em Engenhia Mecânica, João Pessoa, Brasil 2 Centro Federal de Educação Tecnológica da Paíba, João Pessoa, Brasil 3 Universidade Federal da Paíba, Laboratório de Energia Sol, João Pessoa, Brasil * mciluiz@yahoo.com.br RESUMO No presente trabalho, uma bomba de calor foi construída pa investig experimentalmente as cacterísticas da secagem de alimentos. A bomba de calor tem muitas vantagens em relação ao sistema convencional que utiliza diretamente a queima de combustível ou aquecimento elétrico. Dentre as vantagens, incluem alta eficiência energética devido ao alto coeficiente de performance resultando em melhor qualidade do produto. A bomba de calor é constituída basicamente de um evaporador, um condensador, um compressor, um ventilador centrífugo e uma válvula de expansão. O evaporador é usado pa desumidific o do processo de secagem. Nos experimentos, a quantidade da água condensada no evaporador, a temperatura de bulbo seco, umidade relativa e velocidades do nos dutos de secagem foram medidas pa a verificação do desempenho da bomba de calor. A temperatura máxima do de operação obtida foi de 55 C. O fluido de trabalho utilizado na bomba de calor foi o R-22 e a potência máxima do compressor foi de 0,9 kw. A temperatura e a umidade relativa do de entrada estavam entre 27 e 32 C e 70 e 80%, respectivamente. Os resultados experimentais obtidos são compatíveis com os resultados teóricos. PALAVRAS CHAVE: Bomba de calor; secagem; desumidificação.

2 INTRODUÇÃO A secagem é o método mais antigo de preservação de alimentos que se tem conhecimento [1]. É um processo complexo que consiste na eliminação de água de um produto por evaporação, onde ocorre simultaneamente transferência de calor e massa. Pa sec pode-se utiliz qualquer forma de transferência de calor ou uma combinação da convecção, da condução e da radiação, pa fornecer o calor ao produto a ser secado. O calor é fornecido ao material por convecção através do, ou por condução através do contato com uma superfície quente. É necessário o fornecimento de calor pa evapor a umidade do produto e um meio de transporte pa remover o vapor de água formado na superfície do produto que deve ser secado, que normalmente é o [2]. Tem-se estudado atualmente equipamentos que forneçam calor de forma eficiente e com reaproveitamento do mesmo que seria perdido. A bomba de calor é uma máquina térmica que opera segundo um ciclo termodinâmico recebendo trabalho (potência) e transferindo calor da fonte fria (do reservatório de baixa temperatura) pa a fonte quente (reservatório de alta temperatura). A aplicação dessa energia a alta temperatura é o que diferencia as bombas de calor dos equipamentos de refrigeração e condicionado, em que a energia de alta temperatura é desperdiçada [3]. Embora as bombas de calor fossem usadas extensivamente na indústria por muitos anos, seu estudo pa secagem de alimentos é relativamente recente. Os secadores com bomba de calor oferecem diversas vantagens em relação aos secadores convencionais pa a secagem de produtos alimentícios, segundo Chua et al [4] a eficiência aumentada, o controle exato das viáveis de secagem, a melhor qualidade do produto, o rendimento melhorado e o custo operacional reduzido, todos fornecem uma vantagem distinta aos secadores da bomba de calor. Já Pereira et al. [5] justificam a adição de um sistema de bomba do calor que podem ceder mais energia do que consome. Como também a eficiência energética mais elevada, conservação das propriedades organolépticas, oportunidade de oper independentemente das condições ambientais, a não agressão ao meio ambiente com emanação de gases na atmosfera. A bomba de calor condiciona o de forma adequada, desumidificado e aquecido, pa sec os alimentos. Adapa et o al. [6] estudam o desempenho de um secador de mário com recirculação de pa sec a alfalfa. Este tigo avalia o potencial de um protótipo de bomba de calor projetada e construída pa investig as cacterísticas do no processo de desumidificação. APARATO EXPERIMENTAL E PROCEDIMENTOS Sistema de secagem O sistema de secagem utilizado pa os testes, é mostrado na Figura 1. É composto de duas ptes, uma bomba de calor por compressão de vapor do tipo - que funciona de maneira simil ao refrigerador doméstico, onde ocorrem os processos de desumidifição, aquecimento e bombeamento, mostrado na Figura 2 e outra a câma, onde ocorre a secagem do produto. O presente tigo estudá apenas o processo de desumidificação do na bomba de calor. Os experimentos foram realizados no Laboratório de Energia Sol da Universidade Federal da Paíba. Fig. 1: Sistema de secagem Bomba de calor e câma

3 A descrição detalhada dos princípios de funcionamento da bomba de calor e os estágios por onde o circula serão descritos a seguir: O equipamento é constituído, basicamente de um evaporador (1), uma válvula de expansão (2), um compressor (3), um condensador (4) e um ventilador (5) pa fornecer o movimento do. O condensador e o evaporador consistem em trocadores de calor e tem a função auxili na extração de calor, no caso do condensador e na absorção de calor no caso do evaporador. A válvula de expansão tem como função ger uma viação de pressão entre o lado de alta e de baixa pressão no sistema [3]. O refrigerante R-22 foi escolhido como fluido de trabalho. O compressor é o elemento mecânico do sistema que tem como função elev a pressão, e conseqüentemente a temperatura, do gás refrigerante. Potência do compressor 900W. A pressão de alta e baixa são respectivamente em média 375 Psi e 69 Psi. Os estágios que o passa, são: desumidificação, aquecimento e bombeamento. No processo de desumidificação, o úmido ambiente é succionado pelo ventilador do sistema, passa através do evaporador, condensando o vapor d água contida no, que é drenado, retido e quantificado. No aquecimento, o agora desumidificado, passa através do condensador onde é aquecido, absorvendo calor. Este é então movimentado pelo ventilador pa o ambiente Fig. 2: Bomba de calor na visão lateral: (1) Evaporador; (2) Válvula de expansão; (3) Compressor, (4) Condensador e (5) Ventilador Fig. 3: Bomba de calor na visão superior: (1) Evaporador; (2) Válvula de expansão; (3) Compressor, (4) Condensador e (5) Ventilador Instrumentação do sistema Os termopes do tipo PT100Ώ foram utilizados pa medir as temperaturas de bulbo seco e úmido. Estão localizados na entrada e saída do equipamento e entre o evaporador e o condensador. Os dados foram coletados utilizando um datalogger. Dois anemômetros são usados pa medir a velocidade do e foram localizados na entrada do evaporador e saída do condensador. As medições foram obtidas manualmente. A rotação do ventilador da bomba de calor não foi alterada durante o teste. A potência efetiva do compressor foi obtida realizando medições da corrente e tensão de funcionamento do mesmo.

4 O volume de vapor d água condensada no evaporador foi quantificado usando uma proveta. Detalhes da instrumentação estão na Tabela 2. Tabela 2: Instrumentações usadas nos testes Instrumento Fabricante Escala Incerteza Anemômetro Digital Instruments 0,8 a 12 m/s ±(2% + 0,2 m/s) Proveta Laborglas Brasil 0 a 1L N. A. * Data logger Spider 8 (600 Hz) N. A. * N. A. * * Não Aplicado Avaliação da performance do Secador da Bomba de Calor Uma forma de medição da eficiência de secagem de uma bomba de calor é verific quanto de energia foi gasta pa remover certa quantidade de água do. Ela pode ser expressa como seu Coeficiente de Performance (COP), definido como a relação do calor rejeitado no condensador pelo trabalho requerido pelo compressor. Que mostra a eficiência do equipamento em se converter energia mecânica em energia térmica. [7,8] Q& COP = (1) W Onde: Q & cd é o calor rejeitado no condensador (kw) e W é o trabalho mecânico do compressor (kw) cd ( h h ) Q & = m& (2) saída entrada m& = V W = I V A ρ (3) (4) Onde: m& é a taxa de fluxo mássico do (kg/s); h é a entalpia do seco e aquecido que deixa o saída condensador (kj/kg); h é a entalpia do que entra no condensador (kj/kg); V entrada é a velocidade do que circula no sistema (m/s); A é a área do duto (m 2 ); ρ é a massa específica do condicionada a 1,14Kg/m 3 ; I é a corrente elétrica (A); V é a tensão (V). A Taxa de Extração de Umidade - SMER O SMER é definido como a massa de água removida por unidade da energia gasta (kg de água removida / kj). m SMER = W d (5) Onde: md é a quantidade de vapor d água condensada no evaporador (kg/h) RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos no presente trabalho foram focados na performance da bomba de calor (Figura 2), a qual será estudada posteriormente acoplando-se a câma de secagem de alimentos, mostrada na Figura 1. O teste de avaliação do equipamento foi realizado no mês de Junho de 2007, no Laboratório de Energia Sol da Universidade Federal da Paíba. Na Tabela 1 encontram-se as condições de ambiente e as do de secagem obtidas pela bomba de calor. A velocidade de operação pa o projeto foi de 7,8 m/s. Foram realizadas medições de temperatura de bulbo úmido e seco no condensador, pa encontr as entalpias de entrada e saída, cujos valores são 79,52 kj/kg e 103,8 kj/kg, respectivamente. Analisando o COP verificou-se que a taxa de conversão de energia elétrica em energia térmica foi satisfatória, inclusive bem próximo do valor de 1.3 a 1.7, encontrado por Rossi (1993)[9] em um sistema simil. Como também em Kohayakawa et al [10] com valores de COP entre 1,21 e 1,71. O SMER de 0,77 kg / kwh. obtido no experimento pode ser compado com valores citados por [11], que viou de 0,78 a 1,74 kg / kwh.

5 Tabela 1: Condições de secagem Condições do ambiente Temperatura 29 ºC Umidade Relativa 67 % Condições do da bomba de calor Temperatura 53 ºC Umidade Relativa 13 % m 0,0716 kg/s 1,74 kw Q cd W 0,9 kw COP 1,93 SMER 0,77 kg/kw.h CONCLUSÕES Este trabalho constou da investigação e testes experimentais de um protótipo de uma bomba de calor que utiliza como fonte de extração de calor o. As condições de temperatura e umidade relativa do de secagem produzida pela bomba de calor podem ser utilizadas pa sec vários tipos de alimentos, que necessita do desumidificado e aquecido a uma temperatura em torno de 55ºC, como visto pa a secagem de caju [12]. O sistema apresenta o potencial pa ser construído em escala comercial visto que o COP atingiu valores em torno de 1,93, ou seja, pa cada 1,9 kw de energia térmica produzida, apenas 0,9 de energia elétrica é consumida. O mesmo observado no SMER, o qual apresentou o consumo de 1 kw necessário pa condens 0,77 kg de vapor d água no evaporador em 1 hora. Os valores encontrados de SMER e COP estão dentro dos limites aceitáveis quando compados com valores encontrados na literatura. A secagem com o protótipo completo está em estudo pa ser concluído utilizando alimentos na câma de secagem. REFERÊNCIAS 1. Cohen, J. S.; Yang, C. S. Progres in food dehydration. Trends in food Science and technology, vol. 6, pp , Travaglini, D. A. Curso de alimentos desidratados. Coordenador. ITAL/SBCTA. Campinas. 192p Lourenço, Vitor. Nossa Tecnologia. < 1 Dec Chua, et al. Heat pump drying: recent developments and future trends. Drying Technology 20(8): Pereira et al. Experimental analysis of heat pump assisted recuperative air dehumidifier. Engenhia Térmica (ThermalEngineering) 5: Adapa, et al. Performance study of a re-circulating cabinet dryer using a household dehumidifier. Drying Technology an International Journal 20(8): Van Wylen, G.J. ; Sonntag, R.E. Fundamentos da termodinâmica clássica. São Paulo: Edgd Blücher, 565p Stoecker, W.F.; Jones, J.W. Refrigeração e condicionado. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil. 481p Rossi, S.J. Desenvolvimento e Avaliação de uma Bomba de Calor usada no Condicionamento de Ar pa Secagem de Alimentos. Doctor Thesis, UNICAMP, 214p Kohayakawa, et al. Drying Of Mango Slices Using Heat Pump Dryer. Drying 2004 Proceedings of the 14th International Drying Symposium (IDS 2004)São Paulo, Brazil, 22-25, vol. B, pp August Oktay, Z; Hepbasli, A. Performance evaluation of a heat pump assisted mechanical opener dryer. Energy Conversion and Management Gouveia, et al. Avaliação da cinética de secagem de caju mediante um planejamento experimental. Revista Brasileira de Engenhia Agrícola e Ambiental, v.6, n.3, p , 2002.